Sugárzások kölcsönhatása az anyaggal
Dr. Vincze Árpád
vincze@oah.hu
Mitől függ a kölcsönhatás?
VÁLASZ:
• Az anyag felépítése
• A sugárzások típusai, forrásai és főbb tulajdonságai
• A sugárzások és az anyag lehetséges fizikai
kölcsönhatásai – fizikai tulajdonságok változása
• Kémiai hatások
Atomok és molekulák H-atom:
p+ e-
1906- Rutherford: az atommag sugara
~10-10m
atomtömeg A
és m 10
3 . 1 R
ahol
A R
R
15 o
1/3 o
MeV kg
m
ms c
mc E
J eV
MeV kg
m
Thomson
proton e
2 . 938 10
6724 .
1
10 3
;
10 602
. 1 1
511 .
0 10
109 .
9
: 1897
27 1 8
2
19 31
1932 - Chadwick felfedezte a neutront:
Z db elektron a héjakon,
Z db proton és A-Z db neutron a magban
14
C
6 A
Z tömegszám
rendszám
Vegyjel
A = Z + N Azonos A ======> IZOBÁROK Azonos Z ======> IZOTÓPOK Azonos N ======> IZOTÓNOK
A proton és a neutron finomszerkezete
MeV kg
mneutron 1.67491027 939.5
A neutron nem stabilis, átlagos élettartalma 16.9 perc:
antineutrí nó
ν e
p
n
eA neutron és a proton is tovább osztható!
==============> STANDARD MODELL
Az atom finomszerkezete
Elemi részecskék - 1996
Alapvető kölcsönhatások
Kölcsönhatás típusa
Erőhordozó Relatív erősség
Időtartam
erős
elektromágneses gyenge
gravitációs
gluon foton bozon graviton
1 10-2 10-5 10-40
10-23 10-20-10-11
10-10-10-6
-
Az egyes sugárzások típusai és forrásai
Kérdés: Mit nevezünk sugárzásnak?
Válasz: Térben és időben terjedő energia Hogyan jellemezhetjük?
Az energiát hordozó részecskék a., típusa
b., energia szerinti (spektrális) eloszlása c., intenzitása (fluxusa)
alapján
Forrásaik alapján:
a., atommag eredetű (nukleáris)
alfa, béta, gamma, neutron, proton b., elektron-héj eredetű
röntgen, Auger, UV
c., atomok, molekulák gerjesztéséből származó UV, VIS, IR
d., elektromágneses térrel kapcsolatos mikro-, rádió-hullámok
e., töltött részecskék gyorsítása
gyorsítók, lézeres részecske gyorsítás
Hatásuk alapján:
a., Közvetlenül ionizáló (alfa, béta, gamma, röntgen, UV) b., Közvetve ionizáló (neutron)
c., Nem ionizáló (UV, VIS, IR, mikro, rádió és hanghullámok)
Nukleáris sugárzások
1896 - Becquerell:==> RADIOAKTIVITÁS
-Léteznek nem stabil atomok, amelyek spontán bomlanak
Hogyan jellemezhetjük a stabilitás mértékét?
Az atommag kötési energiája:
energia kötési
c m E
tus tömegdefek m
N m
Z m
m
m m
N m
Z
n p
A
A n
p
2
Az egy nukleonra eső átlagos kötési energia a tömegszám függvényében
N/Z változása a rendszám függvényében
-bomlás
γ
α Y
X
AZ--42 42 2A
Z
•Nagy energiájú részecskék (3-9MeV)
• Spektrális eloszlásuk vonalas N
E
Leány mag
231Th
Alfa Sugárzás
Kiindulási mag
235U Alfa részecske Hélium atommag
238
U és
235U bomlása
-bomlások
γ
Y X
: Negatron
1.
AZ
ZA1
e
e antineutrí nó
ν e
p
n
e•Nagy energiájú elektronok (0.01-3MeV)
•Folytonos energiaspektrum (Emax).
Béta sugárzás
40Ca
40K
Béta negatív részecske (elektron)
-bomlások
γ
Y X
: Pozitron
2.
AZ
ZA1
e
e neutrínó
ν e
n
p
ee c A
1 Z A
Z
X Y ν X
: befogás Elektron
3.
neutrínó
ν n
e
p
eElektron befogás
K L K L
XC
-bomlás, izomer átalakulás
γ X
X
AZAm
Z
E2
E1
1 2
γ
E E
E
•Nagy energiájú fotonok
•Vonalas spektrum
Belső konverzió Konverziós elektron sugárzás
Gamma sugárzás
60Co 60Ni
Gamma sugarak
Neutron sugárzás
Forrásai:
• spontán neutronbomlás (137Xe)--> reaktormérgek
• maghasadás (spontán, atomreaktorok)
• (,n) magreakciók (hordozható neutronforrások)
Neutrínó sugárzások
Forrásai:
• radioaktív bomlások
• kozmikus (nap)
Töltött részecske sugárzások
Lineáris gyorsító
Ciklotron
Röntgensugárzás
1895 W.C. Röntgen német fizikus:
légritkított kisülési csövek vizsgálata közben fedezte fel.
•Karakterisztikus (elem analitika)
•Fékezési (diagnosztika)
Fékezési Röntgensugárzás keletkezése
elektron
Cél atommag W, Cu, Pb
X-sugárzás
X-sugárzás
Röntgen készülékek
Fogorvosi CT – Computer Tomography
https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=1664367
Szinkrotronsugárzás
• relativisztikus sebességű könnyű elemi részecskék (elektronok, pozitronok) gyorsulásakor (fékezésekor) keletkezik
• Fluxusa 106-1012 szerese a röntgencsővekének
(spektrális fényesség: megadott energiatartományú fotonok száma /s /vertikális szög /horizontális szög /forrás területe)
Synchrotron SOLAIL
Szinkrotronsugárzás tulajdonságai
•Nagy intenzitás
•Rövid hullámhosszú fotonok melyek behatolnak az anyagba, és kölcsönhatnak az atomokkal
•Széles spektrális tartomány folytonos energiaeloszlással, monoenergetikus nyalábok széles energiatartományban)
•Magas polarizációfok az elektronpálya síkjában, amely nagyon fontos a röntgenfluoreszcenciás kísérleteknél a háttér redukciója miatt
•A röntgensugarak rövid impulzusok formájában emittálódnak, amelyek
1 ns-nál is rövidebbek, és az impulzusok közötti idő 20 ns vagy ennél is több
•Természetes kollimáció, a röntgensugarak a teljes szögtartományban
emittálódnak horizontális irányban, de függőleges irányban jól kollimáltak.
Lézeres elektron gyorsítás
Forrás: ELI-PP White Book part 1, May 2011
Extreme Light Infrastructure (ELI) projekt-Szeged -a fény és az anyag kölcsönhatásának vizsgálata az úgynevezett ultra-relativisztikus
Tartományban
- https://www.eli-alps.hu
•Lézer impulzus (> 1018W/cm2)–
•Közel fénysebességű plazma hullám (10-100 mm)
•Elektronok kiszóródnak a buborékból („foton-nyomás”)
•Töltés szétválás - elektromos térerő (10-100 GV/m)
•Elektronok visszaszívódnak – felgyorsulnak
•A ultra-relativizstikus elektronok nagy energiára gyorsíthatók (GeV)
•2-3 nagyságrenddel kisebb gyorsító méret ELI: 1 m plazma-csatorna – 15 GeV elektronok
Elektromágneses sugárzások
Frekvencia [Hz]
Hullám-
hossz Sugárzás típusa Sugárzás forrása Foton energia
300 kHz 10 MHz
1 km 1 m 1 mm
1 pm
1 nm 100 nm
30 GHz 300 GHz
3*1017 3*1020
Nem-ionizáló
gamma röntgen ibolyán túli (UV)
Látható (VIS) 380-750 nm
vörösen inneni (IR) 750 nm - 1 mm mikrohullámok
rádióhullámok
1.24 neV 1.24 meV 1.24 meV
1.24 MeV
1.24 keV
~ 10 eV Radioaktív magok
elektron fékeződés, belső héjak
gerjesztése
külső héj ionizációja
molekula rezgések
molekula rezgések és forgások
elektromos rezgőkörök
UV sugárzások típusai (100 - 400 nm)
•UV-C: 100 - 280 nm
•UV-B: 280 - 315 nm
•UV-A: 315 - 400 nm Forrásai:
1. Nap
2. Gáztöltésű kisülési csövek (higanygőz)
3. Ívlámpák
4. Plazmavágó berendezések 5. UV lézerek
Higanygőz lámpa:
•A gerjesztett higanygőz többek között UV-t bocsát ki mindhárom
tartományban
•Wood üveg (Na-Ba-Szilikát üveg 9%
NiO)
Látható fény (400 – 750 nm)
• Izzó tárgyak – Wolfram szál, halogén lámpák
• Elektrolumineszcencia, LED- technológia
Szín Hullámhossz(nm) Összetétel
Kék In0.06Ga0.94N
Zöld 556 GaP1.00As0.00
Sárga 578 GaP0.85As0.15
Narancs 635 GaP0.65As0.35
Vörös 660 GaP0.40As0.60
Infravörös GaAs
Fekete test hőmérsékleti sugárzása
Wien-törvénye:
lmax= b/T b= állandó
E(T)= s T4 Stefan - Boltzmann törvény
1 e
) h T , ( u : Planck
T k h
3
Kirchoff: e(l,T)/a(l,T) = anyagfüggetlen
IR sugárzások típusai (750 nm - 1 mm)
•Közeli (IR-A): 750 nm - 1,4 mm
•Közepes (IR-B): 1,4 mm - 3 mm
•Távoli (IR-C): 3 mm - 1 mm
Forrásai:
1. Nap
3. Ívlámpák 4. Villanócsövek 5. Gáztöltésű csövek
Globár:
szilícium-karbid kerámia ~ 1600 oC
Mikrohullámú és rádiófrekvenciás sugárzások
•mikrohullámú sütők
•mikrohullámú adatátvitel
•radar (impulzus modulált)
•rádióantennák Források:
Mikrohullámú sugárzás keltése Magnetron
• Mágneses tér körpályára készteti az elektronokat
• Az üregek előtt
elhaladva mikrohullámú sugárzási tér keletkezik